大河底一級(jí)水電站工程工程布置及建筑物設(shè)計(jì)方案

大河底一級(jí)水電站工程工程布置及建筑物設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)依據(jù)工程等別及建筑物級(jí)別大河底一級(jí)水電站是以發(fā)電為主的小（2）型水電工程，工程等別為=5\*ROMANV等，永久性主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物為5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)：引水壩為20年一遇洪水設(shè)計(jì)，100年一遇洪水校核，引水式電站廠房及其它主要建筑物按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核，次要建筑物相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇設(shè)計(jì)，20年一遇校核，臨時(shí)建筑物(導(dǎo)流建筑物等)相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為5一遇年。地震設(shè)計(jì)烈度為VI度。設(shè)計(jì)基本資料大河底一級(jí)水電站位于文山州麻栗坡縣境內(nèi)的八布河下游南青河左岸支流，下金廠鄉(xiāng)境內(nèi)，距麻栗坡縣城41km。大河底水電站是一個(gè)集灌溉與發(fā)電一體的綜合性水利工程項(xiàng)目，電站在下金廠鄉(xiāng)現(xiàn)有的云嶺村灌溉渠道下游取水發(fā)電，下金廠鄉(xiāng)云嶺村灌溉渠道的引水水源是大河底河，現(xiàn)有引水渠道總長(zhǎng)4361m，現(xiàn)有渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面寬0.8m，高為0.9m，渠道沿山坡布置，渠底縱坡陡緩不均勻，最緩段渠道縱坡為1/100，相應(yīng)斷面寬0.8m，高為1.0m，按水力計(jì)算，渠道現(xiàn)有過(guò)流能力為1.69m3/s。水經(jīng)過(guò)溶洞后由大河底古溶洞河流入大河底電站引水渠道。大河底一級(jí)水電站所處河段為峽谷地帶，上、下游無(wú)通航要求，是一個(gè)發(fā)電和灌溉綜合利用工程。工程項(xiàng)目由一級(jí)水電站引水渠道、前池，壓力管道和發(fā)電廠房及輸電線路組成。法律法規(guī)依據(jù)和技術(shù)規(guī)范及文件《中華人民共和國(guó)水法》（2002年修訂）《中華人民共和國(guó)森林法》（2009年修訂）；《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》（2014年修訂）《中華人民共和國(guó)防洪法》《中華人民共和國(guó)水土保持法》《中華人民共和國(guó)水污染防治法》《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201－94；《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50071－2002；《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252－2000；《水利水電工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)程》DL5020－2007；《砼重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL319-2005；《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL25－2006；《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL282－2003；《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253－2000；《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》SL266－2001；《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL279－2002；《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5077－1997；《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》SL258－2003。工程總體布置物大河底一級(jí)水電站位于麻栗坡縣下金廠鄉(xiāng)云岒村楊開(kāi)坪組，電站通過(guò)新建一條長(zhǎng)450m輸水渠（管）道從現(xiàn)有灌溉渠道末端取水引入一級(jí)電站前池，由前池用壓力鋼管將水引到云岒村桃子灣，新建發(fā)電廠房。根據(jù)現(xiàn)有灌溉渠道水面高程位置，確定大河底一級(jí)電站前池正常水位為1225.6m。前池后面接壓力管道，根據(jù)地形條件，管道采用鋼管明敷布置，鋼管管徑為0.8m，管道長(zhǎng)度350m。一級(jí)電站廠房位于云嶺村桃子灣，電站設(shè)計(jì)尾水高程1083m。設(shè)計(jì)水頭142.6m，一級(jí)電站（P＝90%）保證出力為165.1kW；裝機(jī)1800kW(2×900kW)，年均發(fā)電量634.1萬(wàn)kWh，裝機(jī)年利用小時(shí)為3522.6h。發(fā)電尾水排入下游渠道。工程總體布置是：水經(jīng)過(guò)溶洞后由大河底古溶洞河一并流入大河底河，然后經(jīng)大河底右岸引水渠道引水到金廠云嶺楊開(kāi)坪。大河底一級(jí)水電站通過(guò)新建一條長(zhǎng)450m輸水渠（管）道從現(xiàn)有灌溉渠道末端取水引入一級(jí)電站前池，由前池用壓力鋼管將水引到云岒村桃子灣，一級(jí)水電站發(fā)電廠房發(fā)電，電能經(jīng)升壓后并入麻栗坡南方電網(wǎng)。工程建筑物取水樞紐大河底一級(jí)水電站本次設(shè)計(jì)由灌溉渠道把水流引到大河底一級(jí)電站輸水渠（管）道的壓力前池。大河底一級(jí)水電站為無(wú)調(diào)節(jié)徑流式水力發(fā)電站，引水壩均采用漿砌石重力壩（已建）。發(fā)電輸水渠（管）道大河底一級(jí)水電站通過(guò)新建一條長(zhǎng)450m輸水渠（管）道從云嶺村楊開(kāi)坪灌溉渠道末端取水引入一級(jí)電站前池，依據(jù)規(guī)范《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5079-2007）》及實(shí)地線路情況，在前池上游側(cè)設(shè)置溢流側(cè)堰，引水渠道采用矩形斷面，設(shè)計(jì)引用流量1.69m3/s。溢流堰前段的渠道過(guò)水面按（B×H）1.2m×1.2m設(shè)計(jì)，坡降采用1/200，渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深0.85m，渠道安全超高0.35m滿足要求。溢流堰后段的渠道過(guò)水面寬度按1.5m設(shè)計(jì)，坡降采用1/500，渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深0.9m，渠道按全斷面襯砌厚0.1m。過(guò)水能力計(jì)算：渠道的過(guò)流能力，按明渠均勻流公式計(jì)算：溢流堰前渠道過(guò)流斷面為矩形斷面：ω=bhox=b+2hoR=ω/xC=1/n×R1/6渠道底坡i=1/200，斷面寬度b=1.2m，水深ho=0.85m時(shí)，渠內(nèi)過(guò)水面按襯砌條件取n=0.02。ω=bho=1.2×0.85=1.02m2x=b+2ho=1.2+2×0.85=2.9mR=ω/x=1.02/2.9=0.3517mC=42=1.02×42×(0.3517/0.005)1/2=1.8m3/s>Q設(shè)=1.69m3/s；渠道過(guò)流能力滿足要求。壓力前池根據(jù)地形條件，大河底一級(jí)水電站壓力前池布置在渠道末端山脊上，布置方式為側(cè)進(jìn)正處方式。前池有前室、進(jìn)水室、溢流堰和排砂口等設(shè)施。前室是引水隧洞末端下進(jìn)水室的擴(kuò)大加深部分，主要作用是把引水隧洞斷面形狀平緩地過(guò)渡到進(jìn)水室前緣，以減緩前池中的流速，使泥砂和污物沉積下來(lái)通過(guò)排砂孔排走，前室設(shè)溢流堰和排砂槽，槽口設(shè)排砂孔排砂，進(jìn)水室是壓力水管的入口，布置有攔污柵等設(shè)施。5.3.3.1前池設(shè)計(jì)基本資料機(jī)組臺(tái)數(shù)：2臺(tái)；單機(jī)容量900kW；引水渠設(shè)計(jì)引水流量1.69m3/s；單機(jī)引水流量0.9m3/s；引水渠末端底板高程1224.80m；引水渠末端渠底寬度1.5m；引渠末端設(shè)計(jì)水深0.9m；輸水渠（管）道末端設(shè)計(jì)流速1.33m/s；壓力鋼管根數(shù)1根；壓力鋼管直徑0.8m；堰頂與過(guò)境水流的水面的高差0.1m。5.3.3.2側(cè)堰布置及水力計(jì)算一、側(cè)堰堰頂高程的確定：根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.5.3條的規(guī)定，側(cè)堰的堰頂高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)流量下水電站正常運(yùn)行時(shí)的過(guò)境水流水面高程△h(0.1～0.2m)，本工程取△h＝0.1m。過(guò)境水流水面高程▽2＝渠末渠底高程+渠道正常水深＝1225.60m；側(cè)堰堰頂高程▽3＝▽2+△h＝1225.70m；2、側(cè)堰堰頂長(zhǎng)度、堰上平均水頭的確定根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第A.0.3條，對(duì)于設(shè)一道側(cè)堰的布置，當(dāng)水電站在設(shè)計(jì)流量下正常運(yùn)行，側(cè)堰不溢水；當(dāng)水電站突然甩全部負(fù)荷待水流穩(wěn)定后全部流量從側(cè)堰溢出，為控制工況。此時(shí)，側(cè)堰下游泄水渠道流量為零，側(cè)堰泄流能力按如下公式確定：流量系數(shù)mL宜?。?.9～0.95）mo，本工程取mL=0.9m0，即mL=0.38。根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.5.3條，側(cè)堰的堰頂長(zhǎng)度，堰上平均水頭，需經(jīng)計(jì)算比較確定。溢流堰長(zhǎng)度與溢流堰頂水深有關(guān)，溢流水深過(guò)大，則單寬流量大，消能工程量大，但溢流水深小，則溢流堰長(zhǎng)度就長(zhǎng)，影響前池平面布置，所以在計(jì)算時(shí)兩者應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。根據(jù)上述原則，經(jīng)試算確定堰頂長(zhǎng)度和堰上平均水頭。取H堰＝0.5m,則L堰=2.99m;取L堰＝5m,則H堰＝0.355m。本次設(shè)計(jì)取堰頂長(zhǎng)L堰＝5m，相應(yīng)堰上水頭H堰＝0.355m。5.3.3.3壓力前池各部分平面尺寸的擬定對(duì)于中小型電站進(jìn)水室長(zhǎng)度L進(jìn)=3～5m，本工程取L進(jìn)＝3m單管的進(jìn)水室寬度b進(jìn)=1.8D=1.44m，取b進(jìn)=3.0m進(jìn)水室寬度B進(jìn)=n2b進(jìn)+(n2-1)d=2.5m，取B進(jìn)=3.0m前池池身寬度B前=1.5B進(jìn)＝3.75m，取B前=3.0m前池池身長(zhǎng)度L前=3.0B前=9.0m，取L前=10.0m。。5.3.3.4壓力前池特征水位的擬定1、前池正常水位根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.4條，應(yīng)以設(shè)計(jì)流量下水電站正常運(yùn)行時(shí)的水位作為前池的正常水位Z正常＝渠末渠底高程+渠道正常水深＝1225.60m2、前池最高水位根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.5條，前池和引水渠道內(nèi)的最高水位，應(yīng)按照設(shè)計(jì)流量下正常運(yùn)行時(shí)，水電站突然甩全部負(fù)荷時(shí)的最高涌波水位確定。根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第D.0.5條，側(cè)堰作為控制泄流建筑物，對(duì)涌波起到控制作用，即對(duì)引水道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制工況是：電站甩滿負(fù)荷待水流穩(wěn)定后（涌波已消失），全部流量從側(cè)堰側(cè)堰溢出時(shí)，將恒定流時(shí)的堰上水頭乘以1.1～1.2的系數(shù)，把這時(shí)的水位定為最高涌波水位。即：Z最高＝堰頂高程▽3+1.2H堰Z最高＝1226.126m。3、前池最低水位設(shè)計(jì)根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.6條，前池最低水位可根據(jù)水電站運(yùn)行要求確定。一般前池最低水位為電站突然增加負(fù)荷前前池的起始水位Zo減去突然增荷時(shí)的最低涌波△hmax.大河底一級(jí)水電站引水渠道屬于非自動(dòng)調(diào)節(jié)引水道，起始水位位Zo可取溢流堰頂高程▽3，最低涌波△hmax按一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行突增到兩臺(tái)機(jī)組，由于水電站二臺(tái)機(jī)容量一致，前池涌波計(jì)算按一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)突然增加一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，取發(fā)電流量由0.85m3/s突然增加1.69m3/s時(shí)的前池水位降落。引水道中產(chǎn)生落波時(shí)，波的傳播速度c0和波高△h0可按以下兩式聯(lián)立求解：負(fù)荷變化前的流量Q0＝0.85m3/s負(fù)荷變化后的流量Q′＝1.69m3/s下面試算求解波速c0、起始斷面波高△h0：假設(shè)△h0＝0.7m，波流量△Q＝0.85m3/sB'0=b+2m(h－△h0/2)=1.50m負(fù)荷變化前的過(guò)水面積W0=Q0/v0=0.9m2則波速c0=3.142m/s則起始斷面波高△h0=0.191m△hmax=K△h0=2△h0=0.382mZ最低＝Z正常－△hmax=1225.218m。5.3.3.5壓力前池各部位高程的擬定1、進(jìn)水室淹沒(méi)深度根據(jù)《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.9條規(guī)定，水電站進(jìn)水口上緣淹沒(méi)于最低水位以下的深度，淹沒(méi)深度按戈登公式確定：式中：C－系數(shù)，對(duì)于對(duì)稱進(jìn)水口，C=0.55d－進(jìn)水口閘門(mén)高度，本工程d=0.8mV－進(jìn)水口閘門(mén)斷面流速，本工程V=3.362m/s經(jīng)計(jì)算，s=1.65m.2、進(jìn)水室底板高程公式1：設(shè)計(jì)進(jìn)水室底板高程=最低水位-S-d=1222.768m。公式2：壓力鋼管管頂高程按低于最低涌浪水位減壓力鋼管內(nèi)最大流速水頭的2倍計(jì)算為取管頂高程為1224.20m，相應(yīng)進(jìn)水室底板高程為1223.00m；本工程進(jìn)水室底板高程取1223.00m。3、前池前墻墻頂高程（▽池頂）按下式確定：▽池頂＝Z最高+安全超高＝1226.50m。壓力管道5.3.4.1壓力鋼管布置大河底一級(jí)采用壓力鋼管聯(lián)接前池和發(fā)電廠房，首端接壓力前池，末端接電站廠房，壓力鋼管道管床主要利用舊引水渠道布置，局部跨山坡林地。5.3.4.2壓力鋼管管材選擇和管徑計(jì)算大河底一級(jí)水電站壓力管道供水方式為聯(lián)合供水方式。管道設(shè)計(jì)流量按電站設(shè)計(jì)流量并考濾電站機(jī)組汛期超額定出力運(yùn)行要求，用1.2～1.3倍比系數(shù)取管道最大流量為1.69m3/s設(shè)計(jì)，管道最大靜水頭142.6m。鋼管采用焊接鋼管。鋼材采用Q345的C級(jí)鋼板。1、按經(jīng)濟(jì)流速條件選擇管徑小型水力發(fā)電站鋼管經(jīng)濟(jì)流速一般為3～5m/s，一般低水壓段用小流速，高水壓力段用大流速。以經(jīng)濟(jì)流速選擇管徑時(shí)采用如下計(jì)算公式：(m)Qmax——鋼管的設(shè)計(jì)引用流量(m3/s)壓力管道設(shè)計(jì)取略大于機(jī)組額定流量取，按Qmax=1.69m3/s進(jìn)行計(jì)算。得：D0=0.76-0.99m。2、按經(jīng)驗(yàn)公式選擇管徑采用經(jīng)濟(jì)管徑D0的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算采用“彭德舒”經(jīng)驗(yàn)式 (m)H=300m計(jì)算得：D0=0.8054根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本階段選擇采用D0=0.8m。5.3.4.3壓力管道水力計(jì)算1、水擊壓力計(jì)算根據(jù)管道布置設(shè)計(jì)，壓力管自前池進(jìn)水口至廠房水輪機(jī)主閥前，管路總長(zhǎng)350.m，水力計(jì)算按設(shè)計(jì)流量1.69m3/s計(jì)算，主管內(nèi)徑0.8m。水電站廠房裝機(jī)二臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組。取調(diào)保計(jì)算取導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts為4秒。壓力管流速V=Q/F＝3.362m/s。水錘波的傳播速度按下式計(jì)算：ai＝ai＝1069.6m/s水錘波在管路中來(lái)回傳播一次所需的時(shí)間為：Tr==2×350.0/1070＝0.632s〈Ts=4s故為間接水擊水管特征常數(shù)計(jì)算：σ＝=(350×3.362)/(9.81×142.6×4)＝0.216ρ＝(aiV)/(2gH)=(1070×3.362)/（2×9.81×142.6）＝1.319由ρ、σ值查水錘形式判別圖得知水錘在范圍Ⅰ屬末相水錘。Z末＞Z1y1＜y末水擊壓力升高值：Z末＝＝0.242水擊壓力降低值：y1＝＝0.170水擊壓力水頭升高值(閥前)：△H＝Z1H＝34.8m水擊壓力水頭降低值(閥前)：△H＝y(tǒng)1H＝－23.4m。2、水頭損失計(jì)算管道管路水頭損失為局部水頭損失和沿程水頭損失之和，在設(shè)計(jì)流量Q=1.69m3/s下，大河底水電站壓力管道水流速度為V＝3.362m/s。=1\*GB3①、局部水頭損失：h局=ζ局=式中ζ局=1.176經(jīng)計(jì)算：h局=0.77m=2\*GB3②沿程水頭損失計(jì)算采用公式h沿＝取鋼管糙率n＝0.0125，計(jì)算得：h沿=4.93m3、水輪機(jī)工作水頭計(jì)算總水頭損失：∑h＝h局＋h沿＝0.77＋4.93＝5.7m設(shè)計(jì)工作水頭H設(shè)＝H毛－∑h＝1225.6-1083.0－5.7=136.9m。5.3.4.4壓力鋼管管壁厚度計(jì)算1、按強(qiáng)度條件計(jì)算管壁厚度設(shè)計(jì)只按內(nèi)水壓力作用于管壁上所產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算，公式采用：式中：δ——鋼管管壁厚度（mm）；H設(shè)——設(shè)計(jì)水頭（m）；D——鋼管內(nèi)徑（m）；［σ］——鋼材允許應(yīng)力（kg/cm2）；對(duì)小型電站，可適當(dāng)降低，在此按降低30%計(jì)。對(duì)于3號(hào)鋼，允許應(yīng)力取1300×0.70=910kg/cm2；φ——接縫堅(jiān)固系數(shù)，取0.9。本站管道最大工作水頭發(fā)生在水輪機(jī)主閥前，最大工作水頭